Введение к работе
Ак-туяпкнпгтг. работы Расчет параметров таких распространенных в практике течений как течения в соплах и струях за реактивными и ракетными двигателями с осесимметричным соплом, аэрозольных струй распыливающих устройств, струй установок для поливания и орошения в сельском хозяйстве и установок для тушения пожара, струй для распыливания жидких компонентов топлива в камерах сгорания и т. п. , является важной для инженерной практики задачей. Эти течения относятся к классу турбулентных многофазных неравновесных многокомпонентных полидисперсных неизотермических осесимметричных струй. Особым классом таких течений можно назвать высококонцентрированные газокапельные течения, обладающие рядом специфических свойств, одно из которых - существенное снижение скорости звука (в несколько раз) в двухфазной среде по сравнению с чистым газом и слабоконцентрированными течениями. Эти течения отличаются от других высококонцентрированных газожидкостных течений (вспененных потоков и пузырьковых течений) тем, что в них несущей фазой, непрерывно распределённой в пространстве,является газ.
В настоящее время отсутствует законченная теория двухфазных турбулентных течений в соплах и струях. Комплексное экспериментальное исследование таких потоков чрезвычайно сложно, ввиду необходимости применения уникального оборудования и особых рабочих тел (капель определенного размера и заданного компонентного состава), а также разработки и использования специальных методов измерения параметров потока и соответствующей измерительной техники. Однако, дальнейшее развитие математического моделирования этих течений невозможно без получения экспериментальных данных, позволяющих провести проверку разрабатываемых математических моделей.
Представленная работа посвящена экспериментальному и теоретическому исследованию высококонцентрированных газокапельных течений в системе "сопло-струя".
Теоретическое исследование выполнено с использованием хорошо известных математических моделей двухфазных течений: квазиодномерная модель течения в сопле и двухфазная турбулентная неизотермическая модель струи с моделью турбулентности первого порядка. Из-за отсутствия данных о дисперсном составе потока на входе в сопло и на выходе из него было принято допущение о монодисперсности рассматриваемых течений. Фазовые переходы при высокой копнем і рации жидкости также не оассматривались.
Высокое содержание жидкости в газе потребовало серьёзного
-A-
пересмотра методологии экспериментальных исследований. Потребовалось учитывать возможность возникновения скачка уплотнения в двухфазной среде перед измерительным насадком из-за существенного снижения скорости звука.
Работа представляет собой продолжение исследований многофазных струй, в свое время начатых Г.Н.Абрамовичем и научно-исследовательской группой каф.201 МАИ и продолжающихся по сей день.
Диссертационная работа базируется на теоретических и экспериментальных исследованиях, выполненных на кафедре "Теории двигателей" Московского государственного авиационного института и НИИ НТ РАН, и проводилась в соответствии с планом научно-исследовательских работ.
В процессе работы были проведены критериальные исследования высококонцентрированных двухфазных течений в соплах и параметрические исследования турбулентной двухфазной неравновесной монодисперсной неизотермической осесимметричной струи без фазовых переходов, коагуляции и дробления капель. В результате определены граничные условия и основные параметры для проведения экспериментальных исследований. В ходе экспериментов измерены поля импульса и расходов фаз в высококонцентрированных газокапельных струях. По результатам измерений определены радиальные границы струй, их дальнобойность, выявлены участки течений, характеризующиеся различным характером поперечных профилей параметров (удельного расхода жидкости и массовой концентрации жидкости, импульса, скоростей фаз). Разработана новая методика обработки зондовых измерений, позволяющая определять скорости и концентрации фаз при невозможности проведения изокинетических измерений. Подтверждена достоверность результатов данной методики с помощью сравнения результатов, полученных различными способами. Проведена проверка адекватности использованных математических моделей. Показана применимость рассмотренной модели двухфазной струи с однопараметрической моделью турбулентности для расчётов газокапельных струйных течений с высокой концентрацией жидкости в газе. Даны рекомендации по выбору параметров и проектированию пожарных систем различной мощности на основе двухфазной системы "сопло-струя".
Цепь работы - Проведение экспериментальных и теоретических
исследований газокапельных течений в соплах и струях при высокой массовой концентрации жидкости в газе.
Главными задачами работы являлись :
—анализ современного состояния вопросов исследования двухфазных течений, определение объекта исследования (система "сопло-струя");
—выбор математических моделей двухфазных струйных и сопловых течений для проведения критериальных и параметрических расчётов;
-е-
—определение допущений и граничных условий для теоретических исследований;
—анализ результатов проведённых численных расчётов, выбор
параметров и диапазонов их варьирования для проведения
экспериментальных исследований;
—выбор методов измерений для проведения экспериментальных исследований, доработка существующей методики обработки зондовых измерений параметров в газокапельных потоках для случая высокой концентрации жидкости в газе;
—проведение экспериментальных исследований, анализ результатов и проверка их достоверности;
— оценка адекватности использованных математических моделей и
принятых при расчётах допущений;
—разработка рекомендаций для проектирования газокапельных систем "сопло-струя" различных масштабов при решении прикладных задач (системы пожаротушения и т.п.).
Научная нпиичня работы СОСТОИТ В ТОМ, ЧТО:
—проведены теоретические и экспериментальные исследования газокапельных течений при высокой концентрации дисперсной фазы;
—измерены поля импульса и расходов фаз в различных сечениях высококонцентрированных газокапельных струй, по ним определены радиальные границы и дальнобойность, выявлены характерные участки течения для таких струй;
— разработана новая методика определения скоростей и концентраций
фаз по результатам измерений параметров в двухфазных струях зондовым
методом, учитывающая возможность возникновения скачка уплотнения в
высококонцентрированном двухфазном потоке перед измерительным
насадком;
—показана необходимость перехода к двумерным моделям при расчёте газокапельных сопловых течений с высокой концентрацией жидкости в газе.
—подтверждена возможность использования модели турбулентности 1-го порядка применительно к двухфазным течениям с высокой массовой концентрацией жидкости в газе;
—проведены сравнительные оценки дальнобойности однофазных жидкостных и двухфазных газокапельных струй на базе экспериментальных данных.
Достоверность результатов исследования подтверждается
непосредственным сопоставлением экспериментальных данных,
полученных различными способами, а также их сопоставлением с результатами теоретических расчётов.
Пряк-гичрг.к-яя ІІРННПГ.ТК работы состоит в том, что созданная методика обработки зондовых измерений в высококонцентрированных газожидкостных потоках существенно расширила возможности применения газодинамического метода измерения параметров в двухфазных струях. Экспериментально полученные поля параметров в ряде сечений высококонцентрированных газокапельных потоков позволили провести проверку и корректировку математической модели двухфазной турбулентной струи и модели турбулентности 1-го порядка для применения в этой области. Проведённый анализ экспериментальных и теоретических исследований позволил выявить характерные участки течения для газокапельных струй с высокой концентрацией жидкости, определить их границы и дальнобойность в зависимости от основных параметров и граничных условий. Подтверждена возможность использования однопараметрической модели турбулентности при моделировании газокапельных турбулентных струй с высокой концентрацией жидкости. Даны рекомендации для решения прикладных задач.
Реализация и RHtytpPHHfi релупьтатои работы. Основные научные результаты, полученные в диссертационной работе, использовались при выборе параметров и проектировании ранцевой установки пожаротушения "ИГЛА-1-0.4", а также для проведения прикладных исследовательских работ по газокапельным течениям в научно-исследовательской группе кафедры 201 МАИ и НИИНТ при МАИ. Это подтверждается соответствующим актом.
Апробация работы. Результаты выполненных исследований
докладывались и получили положительную оценку на аспирантских и газодинамических семинарах кафедры "Теории воздушно - реактивных двигателей" МАИ, а также на конференциях и семинарах: XVII Всероссийский семинар "Течения газа и плазмы в соплах, струях и следах" С.-Птб. 1997, Международный Аэрозольный Симпозиум, М. 1996 и 1998, 15 -ая научно-практическая конференция "Проблемы горения и тушения пожаров на рубеже веков", М. ВНИИПО РФ 1999.
Публикации Материалы диссертационной работы излагались в 9 печатных работах, отражены в 5 научных отчетах.
Структура и пбт,рм пиггрртяпнпиппй ряйптм Работа состоит из
введения, 5 глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Основная часть работы изложена на 1 ~ У страницах машинописного текста, всего работа содержит 64j>HcynKa, Ц таблицы и ^131 библиографических названия, из них
